鋅是許多人都認為不可或缺的微量營養素，但他們可能並不完全清楚其中的具體內容。與大多數人都知道可以從一杯牛奶中獲得的鈣或香蕉中的鉀等其他營養素相比，鋅的來源有時並不那麼為人所知。

鋅的未知性還進一步延伸到它在體內的作用方式。研究表明，鋅對細胞生長和增殖、DNA 生成、免疫系統支持、構建蛋白質等一系列重要功能至關重要，但人們對鋅如何發揮作用卻知之甚少。事實上，科學家們對鋅在人體內如何發揮作用，尤其是在生長過程中的作用的了解，很多都是通過研究缺鋅病例中鋅的缺失而獲得的。

生物化學教授艾米-帕爾默（Amy Palmer）開發了一種創新技術，可在60 小時內測量自然循環細胞中的鋅含量。圖片來源：科羅拉多大學博爾德分校

然而，科羅拉多大學博爾德分校生物化學系教授艾米-帕爾默（Amy Palmer）領導的最新發表的研究，為鋅在細胞生長中的作用帶來了新的曙光–事實上是熒光。研究表明，當鋅含量過低或過高時，所有細胞增殖都會停止，直到鋅含量恢復到可接受的範圍。研究還揭示了一種被研究人員稱為”鋅脈衝”的現象–細胞分裂後，鋅含量會出現短暫上升，但大約一小時後又會回落。

帕爾默和她的研究同事、博士後助理研究員阿南雅-拉克希特（Ananya Rakshit）以及研究生塞繆爾-霍爾岑（Samuel Holtzen）通過使用基因編碼的熒光傳感器，對鋅的重要作用有了新的認識。

帕爾默解釋說：”對這一領域來說，這些熒光傳感器是一個重大突破，因為它們使我們能夠在多個小時內測量和量化單個細胞中的鋅。我們可以在細胞準備分裂、分裂以及兩個子細胞經歷相同過程時觀察鋅。我們需要從細胞層面了解為什麼需要鋅、哪裡需要鋅以及需要多少鋅。拼圖中缺少的一塊，尤其是當我們考慮補鋅時，就是了解和知道細胞何時需要鋅，以及它們實際需要多少鋅。”

帕爾默和她的研究同事利用一些生物化學和工程學知識，創造出了一種能與鋅結合且只與鋅結合的傳感器。這些熒光報告器對細胞的干擾較小，可以讓細胞自然循環，這是這一研究領域的未來趨勢，其視角是利用這些熒光報告物，創造一些專門用於鋅的熒光報告物。

帕爾默在科羅拉多大學博爾德分校成立實驗室時，她和同事們就開始開發這些熒光傳感器，帕爾默的博士後研究是在她的導師羅傑-錢（Roger Tsien）的指導下完成的。Tsien因發現和開發綠色熒光蛋白而獲得諾貝爾化學獎，他和其他科學家用這種蛋白來追踪某些基因在細胞中表達的時間和位置。

帕爾默說：”這些熒光傳感器真正有趣的地方在於，它們是由基因編碼的蛋白質製成的。它們有一個DNA 序列，這一段DNA 編碼了一種能與鋅結合的蛋白質。”

“當它與鋅結合時，顏色就會發生變化，這是一個重大突破。得到一個很小的反應很容易，但要得到一個真正大的、強健的、可用於跟踪細胞60 小時的反應卻很難。我們對我們的工具進行了大量的反复優化，使它們能夠以我們想要的方式工作。”

不過，研究人員的努力還是得到了回報，因為之前的很多研究都在細胞中添加了化學物質，以阻止細胞分裂或去除細胞的生長血清–這一過程也會去除鋅。然後，移除化學物質或添加生長血清會重新啟動細胞分裂，使細胞排列整齊，從而在同一時間做同樣的事情。然而，這種情況並不能代表人體中發生的情況。

帕爾默和她的同事將熒光報告器引入細胞，不僅能測量鋅水平，還能在60小時內跟踪每個細胞。利用自然循環的細胞，可以讓細胞實時完成它們的正常工作。然後，研究人員通過計算找出了每個細胞所處的狀態，以及在此期間每個時間點的鋅含量。

對營養和疾病的影響帕爾默的研究之所以重要，不僅是因為開發出了用於研究細胞週期的創新工具，還因為鋅的重要性尚未被廣泛認識，而缺鋅可能會造成重大影響。全球約有17% 的人口缺鋅，缺鋅在世界一些地區已成為公共衛生危機。

嚴重缺鋅會導致生長發育減緩或停止、性成熟延遲、免疫功能受損和傷口癒合等許多問題。然而，科學家們現在才剛剛開始了解細胞何時需要鋅以及需要多少鋅。

帕爾默和她的合作研究人員利用熒光傳感器跟踪單個細胞在60 小時內對鋅的吸收，從而發現了細胞分裂後立即出現的鋅脈衝。

帕爾默和她的合作研究人員發現，細胞分裂後會立即出現”鋅脈衝”，鋅含量會短暫增加，大約一小時後鋅含量又會下降。圖片來源：科羅拉多大學博爾德分校

帕爾默說：”我們還不知道發生這種情況的確切原因，但我們推測，兩個新的子細胞需要引入大量的鋅來促進單個細胞的生長。如果沒有這種脈衝，它們就無法繼續生長，只能暫停。”

研究人員還發現，鋅水平必須恰到好處–如果鋅水平過高或過低，細胞功能就會暫停，直到鋅水平恢復正常。在停頓期間，他們觀察到細胞難以製造DNA。

在最近發表的研究結果的基礎上，帕爾默實驗室的本科生研究人員正在研究乳腺癌細胞中經常出現的極高鋅水平，以及為什麼這些細胞不會像健康細胞那樣暫停對高鋅水平的反應。帕爾默說，這就好像細胞有一個安全開關，而癌症卻能以某種方式繞過它。

帕爾默說，深入研究細胞何時、為何需要鋅以及需要多少鋅，可能”會對從整個有機體層面了解人類營養狀況產生影響，也會對了解疾病中的鋅失調或功能障礙產生影響，我們正在努力了解每個細胞所具有的設定點和基本機制，即細胞感知自身的鋅狀態，以及如何在一定範圍內調節自身的鋅含量。”